2024高考生物一輪復習課件 第2單元 微專題3 光呼吸、C4植物等特殊代謝類型（人教版新教材）

微專題3光呼吸、C4植物等特殊代謝類型SHENGWUXUE1.光呼吸光呼吸是指綠色植物在光照情況下吸收O2，將葉綠體中的C5分解產生CO2的過程。光呼吸是一個“耗能浪費”的生理過程，因此，抑制植物的光呼吸可實現(xiàn)農作物的增產。光呼吸與光合作用的關系①與光呼吸有直接關系的細胞器為葉綠體、線粒體。光呼吸產生的條件是光照、高O2含量和低CO2含量等。②在干旱天氣和過強光照下，因為溫度很高，蒸騰作用很強，氣孔大量關閉。此時的光呼吸可以消耗光反應階段生成的多余的NADPH和ATP，又可以為暗反應階段提供原料，因此光呼吸對植物有重要的正面意義。

[例1]

(2023·山東濰坊一模)光呼吸是O2/CO2偏高時與光合作用同時發(fā)生的生理過程，是經長期進化形成的適應機制。光呼吸和暗反應關系密切，機理如圖所示。下列敘述錯誤的是(

)DA.光呼吸可保證CO2不足時，暗反應仍能正常進行B.光合作用的光反應強于暗反應容易導致光呼吸發(fā)生C.光呼吸過程雖消耗有機物，但不產生ATPD.抑制光呼吸能大幅度提高光合作用強度解析在環(huán)境中CO2不足時，植物通過光呼吸產生CO2，供暗反應進行，A正確；光合作用的光反應強于暗反應時，O2/CO2偏高，產生過多的NADPH和ATP，光呼吸容易進行，B正確；從過程圖看出光呼吸過程消耗了C5，消耗ATP，不產生ATP，C正確；抑制光呼吸能夠減少有機物的消耗，但不能大幅度提高光合作用強度，D錯誤。2.C4植物在綠色植物的光合作用中，二氧化碳中的碳首先轉移到含有四個碳原子的有機物(C4)中，然后才轉移到C3中，科學家將這類植物叫作C4植物，將其固定二氧化碳的途徑，叫作C4途徑。①玉米、高粱、甘蔗都是C4植物，適于在高溫、干燥和強光的條件下生長。②C4植物葉肉細胞的葉綠體有類囊體能進行光反應，同時CO2被整合到C4化合物中，隨后C4化合物進入維管束鞘細胞，維管束鞘細胞中沒有完整的葉綠體，C4化合物釋放出的CO2參與卡爾文循環(huán)，進而生成有機物。③PEP羧化酶被形象地稱為“CO2泵”，它提高了C4植物固定CO2的能力，使C4植物比C3植物具有較強光合作用(特別是在高溫、光照強烈、干旱條件下)能力，并且無光合午休現(xiàn)象。

[例2]

(2023·河南天一大聯(lián)考)玉米固定CO2的能力比小麥強70倍。磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)是C4植物(如玉米)特有的固定CO2的關鍵酶。科研人員將玉米的PEPC基因導入小麥中，獲得轉基因小麥以提高小麥產量。為探究轉基因小麥固定CO2的能力，研究人員將轉基因小麥和普通小麥分別放置在相同的密閉小室中，給予充足的光照，利用紅外測量儀每隔5min測定小室中的CO2濃度，結果如圖所示。下列有關敘述錯誤的是(

)DA.PEPC能降低固定CO2反應所需的活化能B.圖中屬于轉基因小麥變化曲線的是ⅡC.圖中CO2濃度保持不變時植物的光合速率等于呼吸速率D.突然降低光照強度，短時間內細胞中ADP和C5的含量均降低解析酶能降低化學反應所需的活化能，故PEPC能降低固定CO2反應所需的活化能，A正確；由圖可知，Ⅱ曲線代表的植物利用低濃度CO2的能力更強，故Ⅱ是轉基因小麥，B正確；植物的光合速率等于呼吸速率時，密閉小室中CO2濃度保持不變，C正確；突然降低光照強度，短時間內光反應產生NADPH和ATP速率降低，ADP含量增加，C3還原速率下降，C5合成速率下降，而C5消耗速率不變，C5含量降低，D錯誤。3.CAM途徑①仙人掌、菠蘿和許多肉質植物都進行這種類型的光合作用。這類植物特別適合于干旱地區(qū)，其特點是氣孔夜間開放，白天關閉。②該類植物夜間吸收CO2，淀粉經糖酵解形成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下，CO2與PEP結合，生成草酰乙酸，進一步還原為蘋果酸儲存在液泡中。而白天氣孔關閉，蘋果酸轉移到細胞質基質中脫羧，放出CO2，進入C3途徑合成淀粉；形成的丙酮酸可以形成PEP再還原成三碳糖，最后合成淀粉或者轉移到線粒體，進一步氧化釋放CO2，又可進入C3途徑。③該類植物葉肉細胞夜間淀粉減少，蘋果酸增加，細胞液pH下降；白天淀粉增加，蘋果酸減少，細胞液pH上升。

[例3]

(2023·河北唐山調研)多肉植物是指營養(yǎng)器官肥厚多汁并且儲藏大量水分的植物，能夠在高溫干旱的條件下良好生長。多肉植物葉片上的氣孔夜間開放吸收CO2，生成蘋果酸儲存在液泡中；白天氣孔關閉，液泡中的蘋果酸經脫羧作用釋放CO2用于光合作用。請回答下列問題：(1)多肉植物白天進行光合作用所需CO2來源有_______________________和________________(請?zhí)顚懴嚓P生理過程)。多肉植物夜晚能吸收CO2，卻不能合成(CH2O)的原因是_________________________________。(2)若對多肉植物突然停止光照，其葉肉細胞內C5的含量________(填“上升”或“下降”)，原因是_________________________________________________________________________________________________________________________________。蘋果酸經脫羧作用釋放呼吸作用產生缺乏光照，不能產生NADPH和ATP下降突然停止光照，光反應無法產生NADPH和ATP，C3的還原速率下降，C5的合成速率下降，而CO2濃度不變，C5的消耗速率不變，故C5含量下降(3)有人提出，CaCl2與脫落酸都能夠提高多肉植物的抗旱能力，并且混合使用效果更佳，請簡要寫出證明該觀點的實驗設計思路：____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。以下兩種答案均可①將生長狀況相同的多肉植物隨機均等分為四組，分別用等量的清水、CaCl2溶液、ABA溶液、CaCl2與ABA混合溶液處理，在干旱條件下培養(yǎng)，一段時間后測定并比較各組凈光合速率(或“比較各組生長發(fā)育狀況”)

②將生長狀況相同的多肉植物隨機均等分為四組，其中一組不做處理，其余各組分別用等量的CaCl2溶液、ABA溶液、CaCl2和ABA混合溶液處理，在干旱條件下培養(yǎng)，一段時間后測定并比較各組凈光合速率(或“比較各組生長發(fā)育狀況”)解析(1)由題意可知，多肉植物白天氣孔關閉，無法從外界環(huán)境中吸收CO2，可利用液泡中的蘋果酸經脫羧作用釋放的CO2用于光合作用，另外，呼吸作用產生的CO2也可用于光合作用。多肉植物夜晚能吸收CO2，但夜晚無光照，不能產生NADPH和ATP，暗反應不能進行，故不能合成(CH2O)。(2)若對多肉植物突然停止光照，其葉肉細胞內C5的含量下降，原因是突然停止光照，光反應無法產生NADPH和ATP，C3的還原速率下降，C5的合成速率下降，而CO2濃度不變，C5的消耗速率不變，故C5含量下降。(3)要證明CaCl2與脫落酸都能夠單獨提高多肉植物的抗旱能力，需要設置空白對照組，若要證明兩者混合使用效果更佳，需要設置CaCl2與ABA混合溶液處理的一組實驗。實驗思路為：將生長狀況相同的多肉植物隨機均等分為四組，分別用等量的清水、CaCl2溶液、ABA溶液及CaCl2與ABA混合溶液處理，在干旱條件下培養(yǎng)，一段時間后測定并比較各組凈光合速率(或“比較各組生長發(fā)育狀況”)；或將生長狀況相同的多肉植物隨機均等分為四組，其中一組不做處理，其余各組分別用等量的CaCl2溶液、ABA溶液及CaCl2和ABA混合溶液處理，在干旱條件下培養(yǎng)，一段時間后測定并比較各組凈光合速率(或“比較各組生長發(fā)育狀況”)。4.光合產物及運輸①磷酸丙糖是光合作用中最先產生的糖，也是光合作用產物從葉綠體運輸?shù)郊毎|基質的主要形式。②光合作用產生的磷酸丙糖既可以在葉綠體中形成淀粉，暫時儲存在葉綠體中，又可以通過葉綠體膜上的磷酸轉運器運出葉綠體，在細胞質基質中合成蔗糖。合成的蔗糖或臨時儲藏于液泡內，或從光合細胞中輸出，經韌皮部裝載長距離運輸?shù)狡渌课弧?/p>

[例4]

(2023·北京東城期末)下圖為某陸生植物體內碳流動示意圖。據(jù)圖分析，下列敘述不正確的是(

)AA.過程①需要消耗光反應提供的ATP和NADPHB.葉肉細胞中的卡爾文循環(huán)發(fā)生在葉綠體基質C.在葉肉細胞中會發(fā)生由單糖合成二糖或多糖的過程D.④受阻時，②③的進行能緩解C3積累對卡爾文循環(huán)的抑制解析過程①二氧化碳的固定不需要消耗光反應提供的ATP和NADPH，三碳化合物的還原消耗光反應提供的ATP和NADPH，A錯誤；在葉肉細胞中會發(fā)生由單糖合成二糖或多糖的過程，由圖可知，葉綠體基質中會進行葡萄糖合成淀粉的過程，在細胞質基質中進行葡萄糖和果糖合成蔗糖的過程，C正確；圖中④蔗糖輸出受阻時，則進入葉綠體的Pi減少，磷酸丙糖大量積累，過多的磷酸丙糖將用于合成淀粉，即②③合成淀粉能緩解C3積累對卡爾文循環(huán)的抑制，D正確。5.光系統(tǒng)及電子傳遞鏈①光系統(tǒng)Ⅱ進行水的光解，產生氧氣、H＋和自由電子(e－)，光系統(tǒng)Ⅰ主要是介導NADPH的產生。②電子傳遞過程是高電勢到低電勢(由于光能的作用)，釋放的能量將質子(H＋)逆濃度梯度從類囊體的基質側泵入到囊腔側，從而建立了質子濃度(電化學)梯度。③類囊體內的高濃度質子通過ATP合成酶順濃度梯度流出，而ATP合成酶利用質子順濃度梯度中流出的能量來合成ATP。

[例5]

(2023·山東泰安調研)下圖是番茄植株的葉肉細胞中進行光合作用的示意圖，PSⅡ和PSⅠ是由蛋白質和光合色素組成的復合物，是吸收、傳遞、轉化光能的光系統(tǒng)。下列敘述錯誤的是(

)BA.自然界中能發(fā)生光合作用的生物，不一定具備PSⅡ和PSⅠ系統(tǒng)B.光反應過程將吸收的光能轉換為活躍的化學能全部儲存在ATP中C.在ATP合成酶的作用下，H＋順濃度梯度轉運提供分子勢能，促進ADP和Pi合成ATPD.PSⅡ中的色素吸收光能后，將H2O分解為O2和H＋，產生電子傳遞給PSⅠ將NADP＋和H＋結合形成NADPH解析分析圖示可知，光反應過程將吸收的一部分光能轉換為活躍的化學能儲存在ATP中，還有一部分儲存在NADPH中，B錯誤。1.(2022·全國甲卷，29)根據(jù)光合作用中CO2的固定方式不同，可將植物分為C3植物和C4植物等類型。C4植物的CO2補償點比C3植物的低。CO2補償點通常是指環(huán)境CO2濃度降低導致光合速率與呼吸速率相等時的環(huán)境CO2濃度?；卮鹣铝袉栴}：(1)不同植物(如C3植物和C4植物)光合作用光反應階段的產物是相同的，光反應階段的產物是____________________(答出3點即可)。(2)正常條件下，植物葉片的光合產物不會全部運輸?shù)狡渌课?，原因是_____________________________(答出1點即可)。O2、NADPH和ATP自身呼吸消耗或建造植物體結構(3)干旱會導致氣孔開度減小，研究發(fā)現(xiàn)在同等程度干旱條件下，C4植物比C3植物生長得好。從兩種植物CO2補償點的角度分析，可能的原因是___________________________________________________________。C4植物的CO2補償點低于C3植物，C4植物能夠利用較低濃度的CO2解析(1)光合作用光反應階段的場所是葉綠體的類囊體薄膜，光反應發(fā)生的物質變化包括水的光解以及NADPH和ATP的形成，因此光合作用光反應階段生成的產物有O2、NADPH和ATP。(2)葉片光合作用產物一部分用來建造植物體結構和自身呼吸消耗，其余部分被輸送到植物體的儲藏器官儲存起來。正常條件下，植物葉片的光合產物不會全部運輸?shù)狡渌课弧?3)干旱會導致氣孔開度減小，CO2吸收減少，由于C4植物的CO2補償點低于C3植物，則C4植物能夠利用較低濃度的CO2，因此光合作用受影響較小的植物是C4植物，C4植物比C3植物生長得好。2.(2021·遼寧卷，22)早期地球大氣中的O2濃度很低，到了大約3.5億年前，大氣中O2濃度顯著增加，CO2濃度明顯下降?，F(xiàn)在大氣中的CO2濃度約390(μmol·mol－1)，是限制植物光合作用速率的重要因素。核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)是一種催化CO2固定的酶，在低濃度CO2條件下，催化效率低。有些植物在進化過程中形成了CO2濃縮機制，極大地提高了Rubisco所在局部空間位置的CO2濃度，促進了CO2的固定。回答下列問題：(1)真核細胞葉綠體中，在Rubisco的催化下，CO2被固定形成______________，進而被還原生成糖類，此過程發(fā)生在____________中。三碳化合物葉綠體基質圖1葉綠體細胞呼吸和光合作用圖2①由這種CO2濃縮機制可以推測，PEPC與無機碳的親和力________(填“高于”“低于”或“等于”)Rubisco。②圖2所示的物質中，可由光合作用光反應提供的是______________。圖中由Pyr轉變?yōu)镻EP的過程屬于__________(填“吸能反應”或“放能反應”)。③若要通過實驗驗證某植物在上述CO2濃縮機制中碳的轉變過程及相應場所，可以使用____________技術。高于NADPH和ATP吸能反應同位素示蹤AC1.(2023·華東師大附中調研)下圖為植物體內發(fā)生的光合作用和光呼吸作用的示意圖，下列相關敘述不正確的是(

)CA.光合作用過程中CO2在葉綠體基質中被利用B.農業(yè)上，控制好大棚中O2和CO2含量有利于農作物增產C.在高O2含量的環(huán)境中，植物不能進行光合作用D.將植物突然置于黑暗環(huán)境中，葉綠體中C5與C3間的轉化受影響解析光合作用過程中CO2參與暗反應，場所是葉綠體基質，A正確；分析題圖可知，O2和CO2的濃度會影響光合作用和光呼吸，故農業(yè)上，控制好大棚中O2和CO2含量有利于農作物增產，B正確；在高O2含量的環(huán)境中，產生的C3也可用于卡爾文循環(huán)，進而生成糖，C錯誤；C5與C3之間的轉化是通過卡爾文循環(huán)實現(xiàn)的，將植物突然置于黑暗環(huán)境中，光反應不能進行，不能為暗反應提供NADPH和ATP，因而二者的轉化受影響，D正確。2.(2023·西安鐵一中質檢)光合作用中，有一種特殊的固定CO2和節(jié)省水的類型。菠蘿、仙人掌和許多肉質植物都進行這種類型的光合作用，這類植物統(tǒng)稱為CAM植物，其特別適應干旱地區(qū)，特點是氣孔夜晚打開，白天關閉。如圖為菠蘿葉肉細胞內的部分代謝途徑(CAM途徑)示意圖，圖中蘋果酸是一種酸性較強的有機酸。據(jù)圖分析下列問題：(1)據(jù)圖分析，推測圖中葉肉細胞右側a過程的活動發(fā)生在________(填“白天”或“夜晚”)，理由是_________________________________________________________________________________________________________。菠蘿在夜晚吸收的CO2，能否立即用來完成圖中葉肉細胞左側的生命活動？________(填“能”或“不能”)，分析原因為__________________________________________________________________________________________________。夜晚題圖中葉肉細胞右側a過程顯示CO2進入細胞并轉變成蘋果酸儲存在液泡中，夜間氣孔打開，細胞才能完成此項活動不能夜晚沒有光照，光反應不能正常進行，無法為暗反應提供足夠的ATP和NADPH(2)圖中蘋果酸通過過程a運輸?shù)揭号輧?，又會通過過程b運出液泡進入細胞質，推測過程b發(fā)生在________(填“白天”或“夜晚”)。過程a具有的生理意義是________________________________________________________________________________________(寫出兩個方面即可)。(3)長期在強光照、高溫、缺水等逆境脅迫下，以菠蘿為代表的CAM植物形成了適應性機制：夜晚氣孔開放有利于______________，白天氣孔關閉，有利于____________________________，且可以通過_____________________________獲得光合作用暗反應所需的CO2。白天一方面促進CO2的吸收，另一方面避免蘋果酸降低細胞質基質的pH，影響細胞質基質內的反應從外界吸收CO2降低蒸騰作用，減少水分散失蘋果酸的分解和細胞呼吸解析(1)夜晚氣孔開放，CO2進入細胞并轉變成蘋果酸儲存起來。夜晚沒有光照，光反應不能正常進行，無法為暗反應提供足夠的ATP和NADPH，因此夜晚不能進行題圖中細胞左側的光合作用。(2)白天時，蘋果酸運出液泡，在細胞質中分解產生CO2來進行暗反應。夜間氣孔開放，從外界吸收的CO2與PEP發(fā)生系列反應生成蘋果酸，及時通過過程a將蘋